物理学の歴史をたどることは、先史時代以来、物理学者たちが成し遂げてきた数々の発見の軌跡を振り返ることにほかなりません。人類は常に宇宙への理解を深めたいと願ってきました。観察と数学を駆使して身近な現象を正確に記述することで、多くの物理学者が世代を超えて知識を積み重ねてきたのです。本記事では、時代を通じて、現在の宇宙観の基盤となった主要な発展をご紹介します。
物理学の歴史の始まり
物理学の起源は、先史時代と古代にさかのぼります。考古学の研究成果から、先史時代の人々が優れた観察者であったことが確実に分かっています。巨石記念物「ストーンヘンジ」などの遺跡はその証拠です。先史時代の人々は宇宙についてもっと知りたいという強い欲求を抱き、特定の現象を再現しようと試みました。こうして彼らは、科学的方法の出発点となる「観察」を確立したのです。
また、時間を測るための最初の道具もこの時期に出現しました。イシャンゴの骨、ブランシェールの岩陰で発見された骨、さらにはストーンヘンジやカルナックの巨石群などが、時間を測定できた最初の道具でした。これこそ物理学の始まり、すなわち天文的な仕組みの記述の誕生です。
一方、古代の物理学については、はるかに詳細に知られています。時間の計測も重要な関心事であり、日時計（ノーモン）、水時計（クレプシドラ）、日晷などは古代から受け継がれた遺産です。
しかし、時間の測定にとどまらず、古代ギリシャではアルキメデス、ミレトスのタレス、エラトステネスといった学者たちによって知識体系が形成されました。物質とその現象に関心を持ったこれらの哲学者たちは、宇宙に対する人類の理解を大きく前進させました。
「原子」概念の誕生
「原子」という言葉は、ギリシャ語の「アトモン（分割できない）」に由来します。デモクリトス（紀元前460年〜同370年頃）は、物質が真空によって隔てられた粒子から構成されていると考えました。これらの粒子は最小の要素とみなされたため「分割不可能」であると言われ、原子と呼ばれるようになりました。彼はこう述べています。「硬く重く見える物体は、より引っ掛かりやすく、より密接に結びついた微粒子のおかげで凝集力を保っている。逆に、滑らかで丸い微粒子が液体や流体の性質を持つ物体を形作っている」
アルキメデスと浮力の原理
アルキメデス（紀元前287年〜同212年）は、今日、静力学の創始者とされています。多くの牽引機械や、カタパルトのような兵器の考案者でもありますが、何よりも流体力学に関する業績で名を馳せました。伝説によれば「エウレカ！（見つけた！）」と叫んだとされる彼は、流体中に沈めた物体の性質を発見し、「アルキメデスの原理」を提唱しました。すなわち、液体（または気体）中に置かれた物体は、下から上へ向かう押し上げを受け、その大きさは押しのけた液体の重さに等しいというものです。この押し上げは「アルキメデスの浮力」と呼ばれます。
エラトステネスの地球測量
古代の物理学者すべてを紹介することはできませんが、エラトステネスにも触れておくべきでしょう。彼は立石（メンヒル）と簡単な数学を用いて地球の円周を計算しました。太陽光線が平行であると仮定し、アレクサンドリアで正午に太陽光線と垂直方向との角度を測ると7度でした。一方、ほぼ同じ子午線上にある都市スエネでは、井戸の底で太陽光線は角度を作りませんでした。比例関係を用いて、彼は地球の円周を約40,349kmと算出しました。これは現在精密に測定されている値と比べ、わずか10%程度の誤差です。
このように物理学は、観察、仮説の定式化、数学的道具を用いた理論構築を通じて着実に進歩し、知識を蓄積していったのです。
中世からルネサンスへの物理学の進展
中世に入ると戦乱が多発しました。侵略、征服、戦争……古代ギリシャで蓄積された知識は失われ、ボエティウスのような一部の哲学者だけが、自由七科（クワドリウィウム）の教育を通じて古代の科学遺産の一部を守り抜きました。
アラビア・イスラム文明の黄金時代
西洋が忘却の時代に沈む一方、アラビア・イスラム文明はギリシャ人が始めた事業を引き継ぎました。発見の記録を保存し、それらの研究を再開して深化させることで、知識の文明を築き上げたのです。これがアラビア・イスラム圏における科学の黄金時代です。
アラブ圏で確立された「ゼロ」の概念は数学諸科学に大変革をもたらし、代数学などの分野での飛躍的進歩を可能にしました。イブン・ルシュド（アヴェロエス、1126-1198）のような碩学が登場したのもこの時代です。天文学もまた、物理学者・天文学者のイブン・アルハイサム（アルハゼン、965-1039）による水を用いた観測装置の発明によって深化しました。
アルハイサムは、月が特定の時期に大きく見える理由や、月がなぜ光るのかといった光学現象を見事に説明しました。また、屈折現象について言及した最初の人物でもあり、この着想は後の世紀の物理学者たちに受け継がれます。力学の分野でも、彼は慣性の原理を先駆的に述べ（後にガリレオが発展させます）、質量間の引力についても言及しました。この引力の概念は数世紀後、アイザック・ニュートンによって本格的に展開されることになります。
ルネサンスの革命児たち
ルネサンス期には、物理科学の世界に革命をもたらす多くの科学者が現れました。
ガリレオ・ガリレイ（1564-1642）は、天文望遠鏡をはじめとする数々の発明で名を馳せた物理学者・天文学者です。動力学における彼の研究は、惑星の運動の理解につながりました。また彼は慣性の原理を定式化しました。すなわち、物体に力が作用しないか、合力がゼロである場合、その物体は静止しているか等速直線運動を続けるというものです。この原理はのちにニュートンの第一法則として結実します。ルネ・デカルト（1596-1650）は光学に重点的に取り組み、光の屈折の法則、そして反射の法則を数学的に表現しました。
ニュートンによる物理学の大転換
17世紀最大の進歩は、間違いなくアイザック・ニュートン（1643-1723）の業績でしょう。彼は光学、力学、数学など多岐にわたる分野で活躍し、宇宙に対する人類の理解に革命をもたらしました。
光学では、デカルト（およびスネル）の屈折に関する研究を発展させ、プリズムが光を複数の色に分解すること、そして白色光はこれらの色光の集合であることを示しました。回折現象も研究し、ガリレオの天文望遠鏡よりも優れた視界と解像度を実現する「ニュートン式望遠鏡」を発明しています。
力学において、ニュートンはベクトルを用いて力をモデル化し、物体の運動を数学的に記述しました。こうして確立されたのが、のちに「ニュートンの三法則」と呼ばれる三つの運動法則です。さらに万有引力の法則を唱えて重力の仕組みを説明し、友人である天文学者ハレー（1656-1742）の支援を受けて、大著『プリンキピア（自然哲学の数学的原理）』として発表しました。
また、ライプニッツ（1646-1716）も当時を代表する重要な物理学者でした。エネルギー保存に関する理論的発見や、空間・時間の次元の理論的モデル化は、後継の科学者たちにとって貴重な礎となりました。
ニュートン以降の物理科学
エネルギーと運動の理解が深まるにつれ、運動学と力学を統合する新分野「熱力学」が誕生しました。その名称は、古代ギリシャ語の「テルモス（熱）」と「デュナミス（力）」に由来します。この分野は運動とエネルギーを結び付けるものであり（熱はエネルギーの輸送手段の一つです）、産業革命期の工業の発展と蒸気機関の普及を支えました。
もう一つの新分野も登場しました。マクスウェル（1831-1879）による「電磁気学」です。この分野は電気と磁気を統一するもので、簡単な実験と数学的理論によって裏付けられました。導線を流れる電流が磁場を発生させる——自由電子の運動が磁場を作り出すと同時に電流も生じるのです。
光速度測定が引き起こした衝撃
しかし19世紀最大の発見は、二人のノーベル賞受賞者、エドワード・モーリー（1838-1923）とアルバート・エイブラハム・マイケルソン（1852-1931）による、干渉計を用いた光速度の測定でしょう。彼らは、同一媒質内のあらゆる基準系で光速が同一であることを確認しました。この発見は古典力学に大変革をもたらしました。ある基準系において、高速で移動する観測者も静止した観測者も、光子が同じ速度で通過するのを目撃するのです。常識的な力学の考え方では、光子と同じ方向に高速移動する観測者には、光子がより遅く進んで見えるはずです[1]。この矛盾は、フィッツジェラルド（1851-1901）とローレンツ（1853-1928）が提唱した「長さ収縮」の原理によってのみ説明できました。古典力学はこうして限界に直面したのです。
アインシュタインが物理学に革命を起こす
この驚くべき発見を力学と調和させるには、アインシュタイン（1879-1955）の登場を待たねばなりませんでした。1905年、彼は特殊相対性理論を発表し、光速が不変であるならば、運動は空間と時間の変形として現れることを証明しました。つまり、空間と時間は絶対的なものではなく、伸縮するのです。ここから、ランジュバン（1872-1946）の双子を題材にした有名な思考実験が生まれました。高速旅行をしたかどうかによって、双子の老いる速さが異なり得るというものです[1]。
一般相対性理論と時空の歪み
1907年から1915年にかけてアインシュタインが構築した一般相対性理論は、特殊相対性理論を重力理論と統合しました。彼は、重力とは単なる時空の歪みであると示したのです。ゴムのシートの上に置かれたボールがシートを凹ませるように、質量による時空の歪みが引力を生み出し、物体は「測地線」と呼ばれる経路に沿って運動します。
一般相対性理論は、ニュートン力学の適用範囲を高速運動する物体の領域から奪いました。同時に、近年ようやく直接観測されたブラックホールのような新概念への道も開きました。さらに、物理学者ハッブル（1889-1953）は、銀河が互いに遠ざかりつつあることを示しました。ここから宇宙膨張の概念が確立され、やがて「ビッグバン」と名付けられる宇宙の始まりの理論へとつながっていきます。
量子力学と原子核の発見
量子力学の分野では、アーネスト・ラザフォード（1871-1937）が核物理学において驚異的な発見を次々と成し遂げました。彼は放射能、アルファ線、ベータ線といった電離放射線を発見し、金原子を用いた散乱実験によって、原子の正電荷を集中させ、その質量の大部分を担う「原子核」の存在を明らかにしました。
現代の物理学
物理学は今や、新たな発見と発明を支える堅固な基盤を手に入れています。残された最大の課題は、根本的に異なる二つの理論——量子力学と一般相対性理論——の非互換性の解決です。過去200年の発見はすべて同じ一点へと収束しつつあり、そこから「万物の理論」、そしてそれを記述するマスター方程式の構想が生まれています。これは現在、世界中の物理学者がしのぎを削る研究テーマとなっています。コンピュータと先端機器の発達により、物理学はかつてない速度と精度で前進しています。
近年、CERN（欧州原子核研究機構）のLHC（大型ハドロン衝突型加速器）の稼働により、物質の最深部の秘密の解明、ひいては宇宙誕生の瞬間の再現さえ視野に入ってきました。数学、情報科学、そして技術の進歩に支えられ、物理科学は進化を続けています。この壮大な科学の歴史は、今まさに書き続けられているのです。
[1] 運動は常に、固定されたものとみなされる基準系に対して記述されます。
参考文献
Jean Rosmorduc『A history of physics and chemistry』Science Points, 1985.
Jean Perdijon『Histoire de la physique』Dunod, 2008.